本发明专利技术提供了一种类软组织弹性水凝胶及其组织器官模型的制备方法和应用，属于水凝胶基组织器官模型制造技术领域。本发明专利技术利用丙烯酰胺和含负电子基团的不饱和双键单体进行光固化形成共价交联网络，然后通过负电子基团与锆离子配位形成离子交联网络，构筑具有与软组织机械性能接近且可调控的双网络弹性水凝胶。借助光固化快速成型技术构筑精细结构的优势，可以打印制备各种与天然软组织相匹配的个性化组织器官模型，解决了软材料力学性能与加工性能的矛盾。本发明专利技术提供的弹性水凝胶制备方法简单易行，具有可调控的机械性能，可以更好的匹配软体组织，能够模拟人体软组织的力学行为，有望应用于医疗术前模拟、器官移植、手术切除医疗领域。除医疗领域。除医疗领域。
【技术实现步骤摘要】
一种类软组织弹性水凝胶及其水凝胶组织器官模型的制备方法和应用
[0001]本专利技术涉及水凝胶基组织器官模型制造
，特别涉及一种类软组织弹性水凝胶及其组织器官模型的制备方法和应用。
技术介绍
[0002]人体组织器官模型是医生用于术前模拟和医学教学的重要手段。例如，在临床诊断中医生进行介入手术时(心血管和肿瘤介入治疗)，需要事先了解血管和组织器官的大小、病变组织的位置及其空间关系，从而做好充分的手术方案和预案，评估手术可能的风险和采取措施来应对潜在的风险。此外，在机器人手术培训过程中也需要人工组织器官模型开展模拟试验。相比于传统的活体组织器官，人造人体组织器官模型在低成本、伦理道德、便携性等方面的显著优势。
[0003]目前，构建人造人体组织器官模型的基材主要为光敏树脂和聚乳酸等硬质材料以及弹性硅胶和聚氨酯弹性体等软质材料，这些材料的强度高、刚度大，并不适合于软组织器官的构建，并且这些材料的手术器械力学反馈与天然软组织器官不一致，限制其在手术操作模拟中的应用。此外，目前绝大多数组织器官模型主要通过模板浇筑法制备得到。然而，通过模具工艺制造的组织器官模型不能构筑具有复杂血管通道和异质结构的组织器官模型，这极大地限制了人体组织器官模型的功能和应用。
[0004]水凝胶作为软材料的典型代表之一，具有与生物软组织类似的结构以及较高含水量的优势，在生物医学等领域具有广泛的应用前景。然而，传统水凝胶由于组分单一、制造困难以及无后处理等原因，导致所获得水凝胶机械性能较差，无法模拟人体软组织的力学行为。而弹性水凝胶因其具有独特的粘弹性，在软体组织器官模型制造方面具有更大潜力，更能满足其对材料力学性能的需求。除此之外，弹性水凝胶的软质性更加接近活体器官，使其具有接近器官的触感和优异的耐久性。然而，截至目前仍然缺乏有效的方法来调控弹性水凝胶的力学性能，从而匹配各种天然软组织。此外，弹性水凝胶的力学性能较差，难以直接构筑具有血管通道和异质结构的组织器官模型，是目前人工水凝胶组织器官模型构筑领域的最大挑战。
技术实现思路
[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种类软组织弹性水凝胶及其组织器官模型的制备方法和应用，本专利技术提供的类软组织弹性水凝胶具有良好的弹性、强度和韧性，能够模拟人体软组织的力学行为。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种类软组织弹性水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将丙烯酰胺单体、含负电子基团的不饱和双键单体、水溶性光引发剂、交联剂、光吸收剂与水混合，得到水凝胶光固化墨水溶液；
[0009]对所述水凝胶光固化墨水溶液进行光固化，得到光固化水凝胶前驱体；
[0010]将所述光固化水凝胶前驱体浸泡于锆盐溶液中，进行金属配位反应，得到金属配位增强的光固化水凝胶前驱体；
[0011]将所述金属配位增强的光固化水凝胶前驱体浸泡于水中，进行离子平衡，得到类软组织弹性水凝胶。
[0012]优选的，所述含负电子基团的不饱和双键单体为2
‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸、2
‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸钠、甲基丙烯酸、丙烯酸和乙烯基磺酸或磺酸钠中的一种或几种；
[0013]所述水溶性光引发剂为苯基(2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐、偶氮二异丁脒盐酸盐、α
‑
酮戊二酸、2
‑
羟基
‑2‑
甲基苯丙酮和2
‑
羟基
‑
4'
‑
(2
‑
羟乙氧基)
‑2‑
甲基苯丙酮中的一种或几种；
[0014]所述交联剂为亚甲基双丙烯酰胺和/或聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种；
[0015]所述光吸收剂为柠檬黄。
[0016]优选的，所述丙烯酰胺单体与含负电子基团的不饱和双键单体的摩尔比为1:0.05～0.25；
[0017]所述水溶性光引发剂的添加量为丙烯酰胺单体、含负电子基团的不饱和双键单体总质量的3～5
‰
；
[0018]所述交联剂的添加量为丙烯酰胺单体、含负电子基团的不饱和双键单体总摩尔量的0.05～0.25％；
[0019]所述光吸收剂的浓度为0.10～0.30g/L。
[0020]优选的，所述光固化所用光源的波长为365～405nm，强度为500～1000mW；所述光固化的时间为3～7min；
[0021]所述锆盐水溶液的浓度为0.05～0.25mol/L；所述金属配位反应的时间为3～7天；所述离子平衡的时间为3～7天。
[0022]本专利技术提供了上述制备方法制备得到的类软组织弹性水凝胶，所述类软组织弹性水凝胶包括丙烯酰胺单体与含负电子基团的不饱和双键单体形成的共价交联网络以及负电子基团与锆离子配位结合的离子交联网络。
[0023]本专利技术提供了上述类软组织弹性水凝胶在制备水凝胶组织器官模型中的应用。
[0024]优选的，所述组织器官为血管、心脏、肾脏、肝脏、肺、大脑、耳朵、鼻子和瓣膜中的一种或几种。
[0025]本专利技术提供了一种水凝胶组织器官模型的制备方法，包括以下步骤：
[0026]通过医学影像获取组织器官的图像数据，根据所述图像数据获得3D打印切片数据；
[0027]将丙烯酰胺单体、含负电子基团的不饱和双键单体、水溶性光引发剂、交联剂、光吸收剂与水混合，得到水凝胶光固化墨水溶液；
[0028]根据所述3D打印切片数据对所述水凝胶光固化墨水溶液进行光固化3D打印，得到水凝胶组织器官模型前驱体；
[0029]将所述水凝胶组织器官模型前驱体浸泡于锆盐溶液中，进行金属配位反应，得到金属配位增强的水凝胶组织器官模型前驱体；
[0030]将所述金属配位增强的水凝胶组织器官模型前驱体浸泡于水中，进行离子平衡，
得到水凝胶组织器官模型。
[0031]优选的，所述光固化3D打印的参数包括：
[0032]光源波长为365～405nm；
[0033]单层曝光时间为10～20s；
[0034]单层切片层厚为0.05～0.1mm；
[0035]光源的光强为500～1000mW。
[0036]优选的，所述锆盐溶液浓度为0.05～0.25mol/L；
[0037]当所述水凝胶组织器官模型为心脏、肝脏、肾脏、大脑或肺时，所述金属配位反应的时间为5～10天；
[0038]当所述水凝胶组织器官模型为血管、耳朵、鼻子或瓣膜时，所述金属配位反应的时间为5～7天。
[0039]本专利技术提供了一种类软组织弹性水凝胶的制备方法，本专利技术利用丙烯酰胺单体、含负电子基团的不饱和双键单体进行光固化，形成共价交联网络，所得光固化水凝胶带有负电子基团，负电子基团能够与锆离子进行配位反应，形成离子交联网络，因此本专利技术所得类软本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种类软组织弹性水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将丙烯酰胺单体、含负电子基团的不饱和双键单体、水溶性光引发剂、交联剂、光吸收剂与水混合，得到水凝胶光固化墨水溶液；对所述水凝胶光固化墨水溶液进行光固化，得到光固化水凝胶前驱体；将所述光固化水凝胶前驱体浸泡于锆盐溶液中，进行金属配位反应，得到金属配位增强的光固化水凝胶前驱体；将所述金属配位增强的光固化水凝胶前驱体浸泡于水中，进行离子平衡，得到类软组织弹性水凝胶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含负电子基团的不饱和双键单体为2
‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸、2
‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸钠、甲基丙烯酸、丙烯酸和乙烯基磺酸或磺酸钠中的一种或几种；所述水溶性光引发剂为苯基(2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐、偶氮二异丁脒盐酸盐、α
‑
酮戊二酸、2
‑
羟基
‑2‑
甲基苯丙酮和2
‑
羟基
‑
4'
‑
(2
‑
羟乙氧基)
‑2‑
甲基苯丙酮中的一种或几种；所述交联剂为亚甲基双丙烯酰胺和/或聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种；所述光吸收剂为柠檬黄。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺单体与含负电子基团的不饱和双键单体的摩尔比为1:0.05～0.25；所述水溶性光引发剂的添加量为丙烯酰胺单体、含负电子基团的不饱和双键单体总质量的3～5
‰
；所述交联剂的添加量为丙烯酰胺单体、含负电子基团的不饱和双键单体总摩尔量的0.05～0.25％；所述光吸收剂的浓度为0.10～0.30g/L。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晓龙，刘德胜，蒋盼，吴家宇，周峰，刘维民，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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